與現(xiàn)行廣播相比，數(shù)字音頻廣播（Digital Audio Broadcasting，簡稱DAB）這種新的傳輸系統(tǒng)憑借其諸多優(yōu)點(diǎn)而引起了國際通信行業(yè)的矚目，并獲得了迅速的發(fā)展。我國廣播電影電視行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《30～3000MHz地面數(shù)字音頻廣播系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》自2006年6月1日起實(shí)施。 該標(biāo)準(zhǔn)是DAB標(biāo)準(zhǔn)，適用于移動(dòng)和固定接收機(jī)傳送高質(zhì)量數(shù)字音頻節(jié)目和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。
由于手機(jī)電視將為2008北京奧運(yùn)提供服務(wù)，國內(nèi)多家單位已積極致力于DAB的研制開發(fā)。本文將介紹DAB接收機(jī)的樣機(jī)設(shè)計(jì)。
系統(tǒng)的性能要求
歐洲D(zhuǎn)AB系統(tǒng)規(guī)定了4種模式，本設(shè)計(jì)采用的是第1種模式，具體參數(shù)如表1所示。其中，L表示一幀的符號數(shù)，K表示每個(gè)符號的子載波個(gè)數(shù)，TF表示一幀的持續(xù)時(shí)間，TNULL表示空符號持續(xù)時(shí)間，Ts表示每個(gè)符號的持續(xù)時(shí)間，Tu表示有效符號的持續(xù)時(shí)間，Δ表示保護(hù)間隔的持續(xù)時(shí)間。
表1 第1種DAB傳輸模式的具體參數(shù)
采用這一模式的設(shè)計(jì)要求為：帶寬1.536MHz，載波頻率174～240MHz，誤碼率不超過10-4。
方案原理及設(shè)計(jì)思路
1 方案原理框圖
DAB接收機(jī)原理框圖如圖1所示。DAB接收機(jī)將從天線接收到的信號經(jīng)過高頻頭轉(zhuǎn)為中頻模擬信號，放大后進(jìn)行A/D變換，得到數(shù)字信號。其中A/D采樣時(shí)鐘受晶振VCXO的控制，采樣時(shí)鐘偏移由采樣時(shí)鐘同步部分估計(jì)得到。A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)一路做AGC檢測去控制高頻頭的輸出，另一路經(jīng)過R/C變換成FFT所需要的兩路實(shí)虛部數(shù)據(jù)信號。時(shí)間同步部分估計(jì)得到一個(gè)時(shí)域符號的同步頭，并粗略地估計(jì)由于收發(fā)頻率不一致而引起的頻偏。經(jīng)過FFT變換后，頻率同步單元定出FFT的窗口位置，校正帶有頻偏的數(shù)據(jù)。校正后的數(shù)據(jù)經(jīng)過信道估計(jì)，得到當(dāng)前實(shí)時(shí)的信道響應(yīng)，經(jīng)過信道均衡處理以消除信道多徑衰落的影響，然后再經(jīng)過解映射軟判決譯碼和解擾，然后將音頻信號送入信道解碼器解碼，接著進(jìn)行信源解碼和音頻綜合，最后經(jīng)D/A還原成模擬音頻?
圖1 接收機(jī)原理框圖
2 方案的設(shè)計(jì)思路
DAB接收機(jī)主要由數(shù)字下變頻、同步、OFDM解調(diào)和Viterbi譯碼四大部分構(gòu)成。
數(shù)字下變頻就是把ADC輸出的中頻數(shù)字信號變?yōu)閿?shù)字基帶信號，也就是在數(shù)字上實(shí)現(xiàn)頻譜的下搬移，主要包括希爾伯特變換、頻譜下搬移及降采樣等。
同步部分按功能包括符號定時(shí)同步、載波頻率同步和采樣時(shí)鐘頻率同步，以FFT為界可以分為時(shí)域同步和頻域同步兩部分。
OFDM解調(diào)包括FFT和差分解調(diào)等，經(jīng)FFT和差分解調(diào)后的數(shù)據(jù)再經(jīng)過頻域解交織后進(jìn)行QPSK解映射及量化，送給后續(xù)Viterbi譯碼器進(jìn)行軟判決譯碼。
對OFDM解調(diào)送來的數(shù)據(jù)提取快速信息信道（FIC）數(shù)據(jù)進(jìn)行解收縮、Viterbi譯碼、解擾，得到復(fù)合結(jié)構(gòu)信息（MCI），再利用MCI對主業(yè)務(wù)信道（MSC）數(shù)據(jù)進(jìn)行譯碼。
DAB接收機(jī)硬件電路設(shè)計(jì)
1 方案結(jié)構(gòu)框圖
根據(jù)對DAB接收機(jī)組成部分的分析，本次設(shè)計(jì)采用FPGA+DSP的設(shè)計(jì)方案，DAB接收機(jī)完整的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。DAB信號從天線接收后進(jìn)入高頻頭部分，選出所需的頻率塊，然后將選出的高頻信號送入混頻器，變?yōu)橹行念l率為38.912MHz、帶寬為1.536 MHz的中頻信號，中頻信號濾掉無用的頻譜部分后再經(jīng)頻率變換和濾波，變?yōu)橹行念l率為2.048 MHz、帶寬為1.536MHz的基帶信號。然后進(jìn)入ADC，采樣速率為8.192MHz，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后進(jìn)入FPGA。FPGA完成并串轉(zhuǎn)換，同步和解調(diào)， 以及VCXO所需的控制電路等。處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)入DSP，DSP外部時(shí)鐘為24.5MHz，所以DSP可進(jìn)行4倍頻，工作于100MHz。DSP中完成解交織、Viterbi譯碼、解擾以及音頻解碼，最后數(shù)據(jù)被送入DAC，恢復(fù)出原始模擬信號，送入喇叭即可收聽。
圖2 接收機(jī)的結(jié)構(gòu)框圖
2 器件的選型
器件的選型要求在滿足系統(tǒng)需求的情況下力爭使成本最低，功耗最小，設(shè)計(jì)方便且易于調(diào)試，所以要全面兼顧芯片的運(yùn)算速度、價(jià)格、硬件資源、運(yùn)算精度、功耗以及芯片的封裝形式、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、供貨情況和生命周期等。綜合考慮以上幾方面因素，本次設(shè)計(jì)中ADC選用TLV5535，DAC選用AKM4352，F(xiàn)PGA選用EP1S40，DSP選用TMS320VC5510。
TLV5535是一款性能優(yōu)良的8位ADC，具有35MSPS的采樣速率，3.3V單電源供電，典型功耗只有90mW，模擬輸入帶寬達(dá)600MHz，很適合本設(shè)計(jì)。AKM4352是非常適合便攜式音頻設(shè)備的DAC，帶寬20kHz，采樣速率8～50kHz，工作電壓為1.8～3.6V，通帶波動(dòng)只有±0.06dB，阻帶衰減達(dá)43dB，性能非常優(yōu)良。TMS320VC5510是TI公司的一款高性能、低功耗DSP。它具有很高的代碼執(zhí)行效率，其最高指令執(zhí)行速度可達(dá)800MIPS，雙MAC結(jié)構(gòu)，可設(shè)置的指令高速緩沖存儲(chǔ)器容量為24KB，片上RAM共160K×16b，此外還有3組多通道緩沖串行口和可編程的數(shù)字鎖相環(huán)發(fā)生器等，I/O電壓 3.3V，內(nèi)核電壓1.6V。EP1S40是ALTERA公司Stratix系列FPGA，具有非常高的內(nèi)核性能、存儲(chǔ)能力、架構(gòu)效率，提供了專用的功能用于時(shí)鐘管理和數(shù)字信號處理應(yīng)用及差分和單端I/O標(biāo)準(zhǔn)，此外還具有片內(nèi)匹配和遠(yuǎn)程系統(tǒng)升級能力，功能豐富且功耗較小。EP1S40的片內(nèi)資源也足以滿足本設(shè)計(jì)所需。
3 主要模塊的電路設(shè)計(jì)
ADC與FPGA相連，并在FPGA內(nèi)完成并串變換，譯碼電路也由FPGA來完成。FPGA與ADC間的連接包括數(shù)據(jù)線和時(shí)鐘線，ADC的時(shí)鐘由FPGA來提供，數(shù)據(jù)線和時(shí)鐘線均與FPGA的I/O引腳直接相連即可，如圖3所示。
圖3 ADC與FPGA連接原理圖
DSP通過異步串行口與DAC連接，如圖4所示，DAC輸出的模擬信號經(jīng)濾波后可直接輸出語音信號。
圖4 DSP與DAC連接原理圖
現(xiàn)今的高速DSP內(nèi)存不再基于Flash，而是采用存取速度更快的RAM。DSP掉電后其內(nèi)部RAM中的程序和數(shù)據(jù)將全部丟失，所以在脫離仿真器的環(huán)境中，DSP芯片每次上電后必須自舉，將外部存儲(chǔ)區(qū)的執(zhí)行代碼通過某種方式搬移到內(nèi)部存儲(chǔ)區(qū)，并自動(dòng)執(zhí)行。常用的自舉方式有并行自舉、串行自舉、主機(jī)接口（HPI）自舉和I/O自舉。HPI自舉需要有一個(gè)主機(jī)進(jìn)行干預(yù)，雖然可以通過這個(gè)主機(jī)對DSP內(nèi)部工作情況進(jìn)行監(jiān)控，但電路復(fù)雜、成本高；串行自舉代碼加載速度慢；I/O自舉僅占用一個(gè)端口地址，代碼加載速度快，但電路復(fù)雜，成本高；并行自舉加載速度快，雖然需要占用DSP數(shù)據(jù)區(qū)的部分地址，但無須增加其他接口芯片，電路簡單。因此在TI公司的5000系列DSP中得到了廣泛應(yīng)用，本次設(shè)計(jì)也是采用并行自舉。與傳統(tǒng)的EEPROM相比，F(xiàn)lash具有支持在線擦寫且擦寫次數(shù)多、速度快、功耗低、容量大和價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。目前在很多Flash芯片采用3.3V單電源供電，與DSP連接時(shí)無須采用電平轉(zhuǎn)換芯片，因此電路連接簡單。在系統(tǒng)編程時(shí)，利用系統(tǒng)本身的DSP直接對外掛的Flash編程，節(jié)省了編程器的費(fèi)用和開發(fā)時(shí)間，使得DSP執(zhí)行代碼可以在線更新。圖5為外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器Flash的電路連接。
圖5 外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器Flash的電路連接
FPGA與DSP通過McBSP、GPIO、EMIF和EHPI口相連，接口種類多，便于根據(jù)需要靈活使用。FPGA內(nèi)的程序和數(shù)據(jù)掉電后也會(huì)全部丟失，所以為其配備了專用配置芯片EPC16，上電后自動(dòng)將程序下載到FPGA中，簡單易用。
總結(jié)
為了方便調(diào)試，本次設(shè)計(jì)十分靈活，留的系統(tǒng)資源也比較多，不僅可以實(shí)現(xiàn)模式1，其他三種模式也可以在此硬件平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)。用來存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)的Flash既可以用FPGA來讀寫，也可以用DSP來讀寫。DSP和FPGA分別配了JTAG下載口用于下載程序和檢測芯片。DSP還連接RS232，用于發(fā)出控制指令以及監(jiān)控DSP內(nèi)部情況。FIC解碼完成后可進(jìn)行DAB/DMB的業(yè)務(wù)選擇，依據(jù)選擇業(yè)務(wù)的不同進(jìn)行不同的處理后分別產(chǎn)生聲音和圖像信號，并分別從喇叭或液晶顯示器輸出。
